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當真正的水遠在400公里以外的地球時,如何保障航天員用水?


太空夢想你知道嗎?平均每個人一天要用掉升水是否存在可原位利用的水資源?地球上的淡水有萬立方千米左右,可供人類原位利用的水資源占地球總水量的%,主要來源於陸地上的淡水湖和河流。那麼太...

- 2018年12月10日07時53分
- 科學文摘 / 太空夢想

太空夢想

你知道嗎?

平均每個人一天要用掉350升水

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是否存在可原位利用的水資源?

地球上的淡水有3500萬立方千米左右,可供人類原位利用的水資源占地球總水量的1%,主要來源於陸地上的淡水湖和河流。那麼太空中是否也存在可供人類利用的水資源呢?

科學家們發現,在太陽系中發現的地外星球中,很多星球地表下都存在液態水,比如在人類探索任務最多的月球和火星上,存在大量待開發的水資源。

1 月球水資源

月球內部有大量的液態水,根據探測器的初步探測,發現其中的水資源數量達到了可以完全淹沒月球的要求。科學家們稱,月球上的水都是處於靜止狀態,它們不會流動,出現時間一般在白天和黑夜。能夠在低溫環境下結冰,資源的分配不限定於一定區域內,但是,這些水資源在現階段難以被直接利用。


月球表面(圖片來源:俄羅斯衛星通訊社)

2 火星水資源

火星極地冰蓋下發現一個巨大的液態湖泊,位於火星表面之下1.5公里深處,跨度為20公里。科學家們稱,這意味著當前的火星存在水,且這個地下湖泊很可能保持液態,因為火星岩石中的鹽物質溶解到水中,再加上上面冰層的巨大壓力,使其處於液體狀態。然而這種液態鹽水混合了高氯酸鹽,儘管鹽物質可以防止液態水結冰,但也難以被人類直接利用。

火星北半球烏托邦平原下探得大量地下冰(圖片來源:澎湃新聞)

因此,儘管太空中存在大量水資源,但由於開採難度及水源自身物化性質等問題,以目前的技術條件,都無法立即進行原位利用。那麼,現階段進行太空探索任務的航天員是如何用水的呢?

02

現階段航天員如何用水?

太空探索過程中,航天員水資源供給技術一共經歷兩大階段,即第一階段:攜帶式供給;第二階段:物化再生式補給。

水資源攜帶技術主要應用在60-70年代載人飛船系統,包括:第一代水星系列(Mercurymissions);第二代雙子星系列(Geminimissions);第三代阿波羅系列(Apollospacecraft)。攜帶水資源主要用水乘員日常飲用和生活。

攜帶水儲水包(圖片來源 CAS)

航天飛行中每名航天員每天的用水標準是21.6千克,如果以3名航天員飛行200天計算,水的供應量近13噸。按照該供應標準,攜帶式供水雖然方便,但由於攜帶水量有限,且攜帶費用昂貴,攜帶技術無法滿足更遠距離和更長時間的太空探索任務需求。因此,科學家們開始積極探索開發太空密閉環境的水循環再生技術。

航天員飲用攜帶水(圖片來源 CAS)

目前,在「和平號」空間站和國際空間站均配備了水資源再生回用用的設備,航天員洗漱、排泄和出汗代謝產生水經收集後,通過水處理再生設備,將被循環利用。和平號空間站和國際空間站上的水回收率分別達80%和93%以上。2008年11月,美國航天員將尿液再生設備帶到國際空間站美國艙段,屆時尿液再生回用的水已可以用作生活用水。水的再生可保障航天員的用水需求,大幅降低從地球的運水量,如此不但可滿足太空探索任務需求,同時顯著降低經濟成本。

航天員使用再生回用水(圖片來源 CAS)


03

未來,航天員將如何用水?

在空間站基礎上,人類未來將要建立星球基地,星球基地的運轉時間和運行負荷將大幅提高,需水量將遠大於目前的空間站。而現階段較為成熟水資源物化再生技術,將難以滿足星球基地的用水需求。如何長時間、低能耗、高質量的供水,是科學家們正在思考和亟待解決的問題。

空間站水資源回用裝置(圖片來源 CAS)

目前,美國詹森航天中心(JohnsonSpace Center)科學家正積極將生物單元MABRs,反擴散膜充氣硝化反硝化反應器(CoMANDR)引入水資源再生系統,他們希望該生物再生系統可實現全面回收乘員生活和工作產生的污水,使污水回用率>98%,再生水可直接供給乘員飲用和生活。這項研究的初期試驗及研發在德州理工大學(TexasTech

University)持續進行;組裝及中試試驗將在詹森航天中心基地(JohnsonSpace Center)持續進行,研發成果將應用在NASA的探月計劃中。

懷揣著對浩瀚星球探索的太空夢,越來越多國家的科學家們加入到太空水資源循環利用的行列,相信在不遠的將來,太空水資源原位開採及利用技術、水資源持續再生循環技術都將有新的突破和發展。

來源/深圳市太空科技南方研究院

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